直流系统对含大规模风电场交流系统的影响

任　华，刁海勇，陈立汉，常喜强，王维庆，张东明，杨皓宇，郭爱平

(1. 国网新疆电力公司巴州供电公司，新疆 库尔勒　841000；2. 新疆电力调度通信中心,乌鲁木齐　830002；3.教育部可再生能源发电与并网控制工程技术研究中心,乌鲁木齐　830000)



直流系统对含大规模风电场交流系统的影响

任华1，刁海勇1，陈立汉1，常喜强2，王维庆3，张东明1，杨皓宇1，郭爱平1

(1. 国网新疆电力公司巴州供电公司，新疆 库尔勒841000；2. 新疆电力调度通信中心,乌鲁木齐830002；3.教育部可再生能源发电与并网控制工程技术研究中心,乌鲁木齐830000)

随着西北网750 kV主网的建成及新疆“风火打捆”直流外送的实施，新疆电网已形成了交直流混联的系统。为了分析直流系统对大规模风电场交流系统的影响，针对大规模直驱风电场与火力发电厂打捆并网后直流外送的输电方案，构建了含交直流系统的网络拓扑结构，建立了大规模直驱风电场及直流输电系统的数学模型。基于PSCAD/EMTDC软件，仿真并分析了：直流系统对含大规模风电场的交流系统的影响，以及直流系统不同的控制方式、不同的无功补偿容量、直流故障、交直流比例对交流系统及风电场稳定性的影响。

高压直流输电；大规模直驱风电场；直流系统；短路故障

中国的发电能源主要分布在西北、东北等地区，新疆与甘肃的风能资源充足，在风力发电方面有很大的发展潜力，而这些地区的用电负荷相对较低，无法就地消纳大规模的风电。为了提高资源的利用，根据国家规划，在新疆、甘肃等地建立了数个大规模风电场，总装机容量达到了GW级，将这些大容量的风电远距离输送至电力负荷集中的东部地区。由于高压直流输电具有输送容量大、损耗低、便于控制等优势，可以满足不同频率或非同步电网间的互联，高压直流输电工程势在必行。

本文以新疆电网为背景，在PSCAD/EMTDC中搭建大规模直驱风电场和交直流输电系统的仿真模型，从直流系统对含大规模风电场的交流系统的影响，以及直流系统不同的控制方式、不同的无功补偿容量、直流故障、交直流比例对交流系统及风电场稳定性的影响进行了详细的仿真分析，从而为直流输电的调度及控制提供相应的帮助。

1　所研究系统结构

目前，西北地区已经建成以750kV为主网架的交流电网，同时，新疆哈密至郑州的直流输电工程已经进入实施阶段，以新疆为送端的交直流系统已经初步构成。本文所研究的系统以新疆电网为背景，建立了如图1所示的交直流系统的拓扑图。由于风电场的输出功率、频率波动较大，该系统采用风火打捆并网后直流外送的方案。图1中，750 kV及220 kV交流等值系统是根据戴维南等效电路将新疆电网等效为某电压等级下的电源与阻抗串联，通过PSASP软件中的短路电流计算可得。由于本文采用的是大规模直驱风电场，风电机组数目较大，可将风电场等效为一台等值机，使其等效阻抗及输出功率与实际大致相同。根据文献的结论，直流输电系统采用单极运行时，交直流系统间的相互影响最为明显，因此，本文直流系统采用容量为3.2 GW，额定电压为800 kV的单极运行方式，换流站为12脉冲阀组的结构，直流输电线路采用T型等效电路，长度为2 300 km。

图1　含大规模直驱风电场的交直流系统拓扑图

2　直流系统建模

2.1换流器稳态模型

换流器是直流系统的核心设备，其稳态时数学模型如下：

(1)

式中r——整流侧；i——逆变侧；α——整流器触发角；β——逆变器触发超前角；γ——熄弧角；μ——换相角；T——换流变压器变比；Ud0——空载直流电压；Ud——直流侧电压；Id——直流电流；Pac——直流输送功率。

2.2直流控制系统

本文所研究系统用于电力直流外送，需保证输送功率恒定，因此，本文采用直流侧定电流控制，逆变侧定角γ控制。这种控制方式的优点在于：整流侧控制直流系统的电流不产生大幅度的变化，逆变侧控制直流系统电压保持额定电压附近，从而既保障了输送功率的稳定性，又具有经济性。此外，为了防止交流系统故障对直流系统造成的影响，配置了低压限流装置(VDCOL)、最小电流限制控制、定αmin控制。控制模块的框架图如图2所示，直接输入只有直流电流整定值Ides，而整流侧直流电流Id-rec、逆变侧直流电压Ud-inv、直流电流Id-inv、关断角γ是从实际运行中测量所得，输入控制系统。输出量只有整流侧的触发角α和逆变侧的触发超前角β。由式(1)可得，通过对输出量α、β的调节，能够控制Ud、Id。

图2　直流系统控制器框图

3　风电机组建模

直驱风力发电机组由风力机、直驱永磁同步发电机、变流器、控制系统构成，结构如图3所示。

图3　风电机组结构图

3.1风力机模型

风力机机械转矩：

(2)

式中Tm——风力机的机械转矩；ρ——空气密度；R——风轮叶片半径；Vw——风速；λ——风力机的叶尖速比，β——桨距角；Cp——风能利用系数。

3.2永磁同步发电机模型

直驱永磁同步发电机等效电路如图4所示。

图4　发电机等效电路

根据图4，在旋转坐标系下，所建立的同步直驱发电机模型为：

(3)

发电机的机械运动方程：

(4)

电磁转矩表达式：

Te=1.5Pψ0

(5)

L=Ld=Lq=jXs

ωg=ωw

式中id，iq，ud，uq——发电机的d轴和q轴电流、电压分量；L——d轴和q轴电感；Te为——电机的电磁转矩；Tw——风轮获取的气动转矩；ωg——发电机转子的转速；ωs——电角频率；Rs——定子电阻；ψ0——永磁体的磁链；Jeq——风力机的等效转动惯量；Bm——转动粘滞系数；P——转子的极对数。

3.3变频器模型

本研究变频器模型采用双PWM变流器，原理如图5所示，网侧变流器输出电压可以表示为：

(6)

图5　变频器原理图

3.4转速控制

转速控制框图如图6所示，由于风电场的出力与风速有关，因此，风电机组转速控制有两种状态：

(1)风速达到切入风速(4 m/s)，当风速变化但未达到额定风速时，通过调节变频器的占空比来控制风力机的桨距角，使风机工作在最大功率追踪状态下，从而获得最大风能。

(2)风速超过额定风速时，由于风机机械强度和容量的限制，不能够捕获最大风能，通过对桨距角的控制，减小风能捕捉，使风机出力保持在额定功率附近。

图6　转速控制

3.5变流器控制

直驱风电场的变流器控制主要由机侧控制和网侧控制两部分[16]，其控制框图如图7和图8所示。机侧控制是将电流信号通过坐标变换为d、q轴分量，与电网侧电流比较后，经PI调节器输出的d、q轴电压分量与补偿电压相加后得到发电机机端电压控制信号，再与三角载波比较以控制IGBT的通断，从而实现有功、无功的解耦控制。网侧控制是将电网侧三相电压变换为角和d轴电压分量，经补偿后得到网侧变流器电压控制信号，从而实现网侧功率因素的调整及无功功率的控制。

图7　机侧控制

图8　网侧控制

3.6风电场模型

大规模风电场通常都有上百台风机，占地面积巨大，处于风上游的风机会对下游的风机遮挡，产生强烈的湍流，使下游风机风速远低于上游风机，从而产生尾流效应。受尾流效应的影响，风电场中各台风机的输出功率不同，在风电场等值时需考虑不同位置风机风速对输出功率的影响。在PSASP软件中，考虑尾流效应对大规模直驱风电场作等值计算，可得到风电场的总输出功率和等效阻抗。

4　仿真分析

本文利用PSCAD/EMTDC，以新疆电网为背景，从直流系统对含大规模风电场的交流系统的影响，以及直流系统不同的控制方式、不同的无功补偿容量、直流故障、交直流比例对交流系统及风电场稳定性的影响进行了详细的仿真分析。

4.1直流系统故障对交流系统的影响

在直流系统故障中，直流线路短路是最常见的一种故障，本节将对并联运行方式下和非并联运行方式下的直流线路短路故障仿真分析，比较两种运行方式下的直流故障对交流系统影响大小。在1 s时设置直流线路中点处发生短路接地故障，持续0.15 s，故障对交流系统及风电场的影响如图9和图10所示。

当直流线路发生故障时，直流输电系统的响应为：直流电压骤降至零，直流电流瞬间增大，为减小直流电流，触发角α与熄弧角γ增大，直流电流保持在0.5pu，直流输送功率降至零。通过仿真图可知，直流输电系统发生故障时，由于功率传输为零，换流站不在吸收无功功率，换流站无功补偿装置使交流母线电压上升。送端系统发电机组发出的大量有功功率无法就地消纳，造成送端系统频率的上升，若不做切机处理，有可能导致频率的失稳。而受端系统由于缺少了直流输电系统输送的有功功率，使得有功功率出现缺额，从而降低了系统的频率，需要切负荷或增加发电机组来抑制频率的波动。

在图9中，当直流系统发生故障时，对送端系统电压及受端系统频率的影响较严重，三种运行方式下故障对送端系统的影响程度差别较小，运行方式一下故障对受端的频率及电压影响程度较小，运行在方式三时，当交直流并联运行时故障对受端系统的影响较小。直流故障不会对另一条直流输电系统造成影响。

在图10中，直流系统的故障导致了风电场PCC母线电压的降低，发电机转速上升，发出有功功率降低，增加无功功率来维持PCC母线电压，故障消除后风电场仍处于低电压运行状态。

4.2交直流外送比例对系统稳定性的影响

直流系统故障有可能会导致直流闭锁，使直流系统传输功率为零，当直流系统输送功率在交直流输电系统中所占比例不同，直流闭锁对交流系统的影响会产生怎样的影响是本节的重点内容。由于上节中得到结论，交直流并联运行方式下直流故障对交流系统影响较大。本节在不同的交直流输电比例下，设置交直流并联运行方式中的直流线路始端发生接地短路故障，故障发生时间为0.1 s持续0.15 s。得到送端和受端交流系统电压偏移和频率偏移情况如表1至表3所示。

无论交直流系统处于何种运行方式，随着直流输送功率在交直流输送功率中所占比重的增大，交流系统母线电压偏移越严重，频率波动范围越大，直流线路故障对交流系统的影响逐渐越严重。

表1　运行方式一：不同交直流比例直流故障

表2　运行方式二:不同交直流比例直流故障

表3　运行方式三:不同交直流比例直流故障

图9　方式一(左)、方式二(中) 、方式三(右)直流线路短路系统响应

5　结论

图10　方式一(左)、方式二(中) 、方式三(右) 直流故障对风电场的影响

本文通过对交直流输电系统中直流系统对交流系统进行了详细仿真与得出以下结论：

首先，对于不同的整流侧与逆变侧控制方式的组合进行了比较，并针对各种控制方式下的静态电压稳定进行了分析，结果表明整流侧定电流控制有利于电压稳定、逆变侧定电压控制有利于电压稳定。然后，讨论了换流站无功补偿装置对直流系统的影响，不同无功补偿类型对电压稳定性影响不同，分组容量的大小也能够影响到交流系统的电压稳定。对于直流系统发生接地故障做了详细的仿真分析，表明直流系统故障会对送端系统的电压和受端系统的频率造成严重影响，在三种不同的运行方式下，故障对送端交流系统影响的差异较小，运行在方式一时故障对受端系统的影响最小，直流故障对风电场的影响较严重。当直流系统输送电能所占比例不同时，直流系统故障对交流系统的影响程度不同，直流所占比例越大，虽然其输电效率越高，但是发生故障时对交流系统的影响也越严重。

通过仿真与分析得到了上述结论，能够为高压直流输电的调度及控制提供相应的帮助。

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(本文编辑：杨林青)

The Impact of DC system on AC system that containing large-scale wind farm

REN Hua1, DIAO Hai-yong1, CHEN Li-han1, CHANG Xi-qiang2, WANG Wei-qing3, ZHANG Dong-ming1, YANG Hao-yu1, Guo Ai-ping1

(1.Bazhou power company of State Grid Xinjiang Electric Power Corporation, korla 841000,China;2.Xin Jiang Communication Center for Power Dispatching, Urumchi 830002, China;3.Engineering Research Center of Education Ministry for Renewable Energy Power generation and Grid Technology,Urumchi 830000, China)

With the Northwest 750kV grid built and Xinjiang “Bundled Wind & Fire” DC transmission implement, Xinjiang Power Grid has formed a AC/DC system. In order to analyze that D-PMSG wind farm connecting grid and exporting by HVDC on the impact of AC/DC system, aim to the transmission program that transport the power after the large D-PMSG wind farm connect to grid, construct the network topology of the system, establish the mathematical model of the Large-scale D-PMSG wind farm and HVDC system. Based on PSCAD / EMTDC, simulate and analysis: DC system influence on communication system containing large-scale wind farms, and different control mode, different dc system reactive power compensation capacity, dc fault, proportion of ac/dc to ac system, and the effect on the stability of the wind farm.

HVDC; large D-PMSG wind farm; AC system; Short-circuit fault

10.11973/dlyny201604012

教育部创新团队项目(IRT1285)；国家自然科学基金项目(51267017)

任华(1986)，男，硕士，研究方向为电力系统稳定与控制。

TM721.1

A

2095-1256(2016)04-0459-06

2016-05-18